工程实例-灰土桩处理既有建筑物地基湿陷事故
一、工程概况
（一）某厂房湿陷情况
该厂房建于60年代初，为单层多跨结构，独立基础，跨度8.Om，基础中心距6.0m，基础尺寸分别为2.9m×3.3m 和4.5m×5.0m，基础荷载为120kPa。由天窗、天车轨道和墙面裂缝的分布密度和宽度等判断为中等破坏。引起湿陷的主要原因是地表水人浸地基。
其来源有三∶
（1）屋顶排水系统年久失修，雨水汇集后倾泻于地基;
（2）纵贯厂房的地沟严重漏水;
（3）生产用水长期浸泡地基。
（二）工程地质条件
根据对数十个含水量调查孔和三个探井资料的分析，工程地质条件可概括为∶
1.含水量差异大。在不同钻孔和同一钻孔的不同深度，地基土含水量差异较大，最小6.2%，最大35%，浸水严重部位于地坪下9.0m处，天然含水量仍大于液限（25%）。这正是产生不均匀下沉，导致厂房破坏的直接原因。
2.自重湿陷性土层厚度较大。该区黄土层厚度大于20.0m，自重湿陷深度约10.0m，自重湿陷量30cm，总湿陷量38cm，湿陷等级为Ⅱ级。
3.压缩性高。该区一般压缩系数0.45MIPa-1，最大达0.84MPa-1。这反映了该区黄河河床沉积与山前洪积物、坡积物交相作用，地质情况复杂。
4.湿陷性变化大。（i）含水量较高，接近液限，无湿陷性。这种情况可能是原地基有湿陷性，经过长期浸水，湿陷基本完成，从而转化成承载力不足的软弱地基;（2）含水量较低（13%～18%）.无湿陷性∶（3）含水量较高（20%一25%）.有湿陷性。
（三）加固设计
本加固工程是在对石灰桩、灰土桩、旋喷法和硅化法等多种方案，进行加固效果和经济对比综合分析后，确定采用挤密灰土桩加固方案。灰土桩的平面布置，系于独立基础四周布一排桩，桩间距D.7m（2.3d）、桩径在十垫层以上（约3.0m）为0.25m，以下（约7.0m）为0.30m，桩长（处理厚度）10.0m。灰、土体积比为2∶8.本工程共加固 43 个独立基础，加固基础面积524m²，布灰土桩842根。
二、加固机理
（一）灰土桩的分段应力
用于既有建筑物湿陷性事故处理的灰土桩，与新建工程复合地基的灰土桩，在成桩方法、布桩间距、作用原理等方面都有所区别，因而桩身分段受力情况也不尽相同。图 4.6-14为用于既有建筑物湿陷事故处理的灰土桩桩身分段应力图。根据地基附加应力、地质条件和桩身作用等，把桩身分为四段，各段应力情况简述如下∶
AB 段∶该段在基础以上，桩周为填筑土，桩身只有自重应力无附加应力。此段对灰土桩的要求是密度与填筑土密度（pa为1.4t/m²）相同，即恢复土体的原状态。
BC段;该段长度为基础底面下土垫层厚度，一般认为土垫层的质量符合要求（A，≥0.93），因此与AB 段相似，要求灰土桩的夯实系数不小于土垫层的压实系数。这样桩身附加应力与土垫层的地基附加应力相同。
CD段∶该段桩身应力可分两种情况∶
（1）当地基不再发生新的湿陷或压缩变形时，桩身附加应力为应力重分布后地基的附加应力;（2）当地基有新的应变（压缩或湿陷）产生时，并随着变形的增大，桩身应力迅速增加，直至达到地基应力的10倍~15倍。CD 段一般不超过3.0m
DE 段∶该段已不再有分担荷载的作用，桩身应力即为地基的附加应力。
实际上，所谓的真正含义的灰土桩是指 CE段（实际成桩时两段并无分界面），至于 AC 段，桩孔回填的密度、夯实系数，只要与填筑土、土垫层保持一致即可达到要求，而不必与CE 段一般标准。因此，本加固工程设计要求 AC段桩径0.25m，C段桩径0.30m。
（（二）灰土桩的单位冲击功能
应用冲击法成桩，其作法原理是借助冲击锤在一定高度（4.0m为宜）的重力势能，自由下落挤密夯扩灰土填料，在直径为16～20cm 的桩孔内，做成直径 25~30cm的灰土桩。经过多次试验和工程实践。得出两种常用桩径的单位冲击功能，并将其与所要求的施工标准列于表4.6-8。
由表 4.6-8 可知，冲击法成桩的单位冲击能要比标准击实试验的单位击实动能（0.61MJ/m³）大得多、这是由冲击法成桩工艺本身所决定的。所需能量包括四个方面;（1）将松散的灰土填料（密度约为0.8t/m²³，层厚约 900mm。标击层厚 40mm，土层薄，能量利用率高}冲击挤密至大密实度的桩体（最大1.9t/m²，接近极限密度）;（2）依靠挤密夯实填料、托小口径（0.16m~0.20m）的桩孔夯扩成大直径（0.25m~0.30m）的桩体;（3）冲击锤与桩孔摩擦的能量损失;（4）大落距的能量损失。
应用冲击法成桩时，引入单位冲击功能的概念具有重要意义∶（1）便于与标准击实试验、强夯等进行能量对比;（2）便于评定成桩标准;（3）便于把握施工质量。根据表4.6-8所给的单位冲云能，成一长 10.0m、桩径为0.30m 和0.25m. 的灰土桩，所需的总冲击能分别为15.18MJ和7.72MJ。本加固工程 10m 的桩长，土垫层以上3.0m，桩径 0.25m，土垫层以下7.0mn，桩径 0.30m，总冲击能为12.94MJ。
影响单位冲击能的主要因素有三∶（1）当天然含水量适中时，冲击夯扩成桩较易;（2）当地基天然密度较小时、桩周土的约束力较小，成桩较易;（3）当落距较大时，能量损失较大，利用效率较低，所需冲击能较大。
（三）灰土桩的挤密效果
冲击法成桩对地基是分两次挤密的;冲击锤先在地基中冲一直径为0.16~0.20m 的孔（一次济密），然后再加进灰土填料，挤密夯扩使灰土桩的桩径达到0.25～0.30ro（二次挤密）。其挤密效果主要与地基密实度、湿陷系数和天然含水量有关。但在施工场地确定后，前二者亦随之确定，只有天然含水量变化较大。本加固工程鲍质条件之一，就是"在不同钻孔和同一钻孔的不同深度，地基土的天然含水量差异较大"。这种含水量差异悬殊的地基，灰土桩挤密效果如何，可分为三种情况∶
（1）当地基含水量适中，亦即在其对应冲击能的最佳含水量附近时，挤密效果最佳。（2）当地基含水量较小，为硬塑以至半于硬状态时.由于土中缺乏必要的自由水。挤密效果较差。这时可采用掏孔注水等方法，改善含水量，使其接近最佳含水量，从而提高挤密效果。
（3）当地基含水量较大，以至大于液限，这时地基就不再是湿陷问题，而转化成饱和黄土的软弱地基问题，挤密作用同时即被置换作用所代替∶成桩工艺也随之变成掏孔—挤密夯扩灰土填料，灰土配合比由 2∶8变为3∶7或更大，灰土填料（也可用砂或碎石）的含水量控制在 10%左右。由于成桩过程中的夯扩挤压，引起超孔隙水压力，使原土位移而强度暂时降低。但随着时间的延续，除了地基土的结构强度自身有一定程度的恢复外，灰土桩在凝硬·过程中，要吸收周围土体的水分，周围土体的孔隙水压力要向桩体转移而消散.结具有效应力增大，强度提高。因此，成桩并不降低桩间土的强度。灰土桩就是依靠其置换作用来加固软弱地基的。这有两方面的含义;一是地基土物质组成的置换，对群桩她基，当按本工程的设计.以等边三角形布桩（间距0.7m）时，桩的面积占整个地基面积的17%，桩土面积比为1∶5;二是地基应力的置换，当桩体成至相对硬层时，桩的变形模量大，压缩性低，地基的附加应力便逐渐集中到桩上，地基土中的应力相应降低，桩在土中犹如钢筋在混凝土中的作用一样，亦即灰土桩依靠应力集中作用来提高地基承载力;当桩体未成至相对硬层而仍在软弱地基土中时，桩土复合她基主要起垫层作用，把她基附加应力向周围横向扩散。
（四）灰土桩的作用
1，提高地基承载力。（1）由于成孔和成桩的两次挤密，消除了湿陷性，提高了地基密度.从而提高了地基承载力;（2）灰土桩的无侧限抗压强度在 500-1000kPa之间，其在地基中的承载力一般在 600kPa 以上，而与之对应的桩间土的承载力仅为50~100kPz，应力分担比在极限承载力时为10~15。灰土桩通过与周围土体的摩擦力来分担荷载，降低地基下一定范围（2.0～4.0m）土的应力，提高地基承载力。
2.减少地基下未加固土的变形量。
（1）设置在基础四周的灰土桩.与其加固土体共问起帷幕作用，约束基础下未加固土受水湿陷时产生的侧向挤出变形，使压力与沉降呈直线关系，从而减少了地基的沉降量;
（2）由于灰土桩的分担荷载作用，减少了部分地基土的应力，使其小于湿陷起始压力，这部分土受水便不再湿陷，从而减少了湿陷量。
3.起相对隔水墙作用。土的渗透用渗透系数k衡量，黄土的水平渗透系数 k，在 10-6 左右，与之对应的孔隙比在1.0左右。经挤密加固后，孔隙比大大降低（桩体孔隙比在 0.60 左右），从而降低土的渗透性，使其 k;接近 10-'cm/s，有效地阻止基础以外表水下渗入浸地基。
4.改善地基土的含水量。标准击实能时灰土填料最佳含水量一般在 16%~20%之间，即在塑限附近;但冲击法大击实能下，灰土填料的最佳含水量要小些，在 10%左右。灰土桩在凝硬过程中，要与桩间土进行离子交换和含水量平衡，吸收水份，从而降低了地基土的含水量。
三、效果检测
（一）单桩挤密影响范围
分别应用土工试验和静力触探评定加固效果，两者互相对比互相印证得出结论。单桩挤密的土工试验结果见表4.6-9，干密度和挤密系数沿柱径方向变化曲线见图4.6-15，单桩提高地基承载力静力触探结果见表4.6-10，承载力提高沿径向变化曲线见图4.6-16。
另一方面。注意到试验场地的天然含水量（在10%左右）和干密度（小于1.3t/m³）均较小，如果采用掏孔漫水法使地基含水量接近最佳含水量（16%~20%），或地基干密度大于1.35t/m²，则挤密的效果还会更佳。图4.6-15中灰土桩的压实系数（1.13大于1，说明了冲击法成桩的一个特点一—桩体处于准极限压密状态。图 4.6-16 曲线Ⅰ是取地基的平均承载力为 200kPa而绘出的;曲线Ⅱ为按承载力提高百分数绘出，两种曲线所得结论基本相同。
由冲击法所成灰土桩经开挖可见，桩身均匀、垂直、圆顺、无缩颈、空洞等大的缺陷。桩身平均直径0.32m。桩身截面为灰土颗粒以桩中为中心排列有序的同心圆。说明应用冲击法成桩的机械、工艺等是可行的。
（二）群桩复合地基的承载力
群桩的挤密效果。图4.6-17为群桩加固地基平固图，灰土桩按等边三角形布置，桩间距0.70m，各触探点位置示于图上。群桩提高地基承载力的百分数列于表4.6-11。
表4.6-11中的承载力为地坪下1.0~5.0m（共4.0m）承载力的平均值，承载力提高的百分数亦为平均值。由表4.6-11可知，内线中点承载力提高幅度最大，抗变形能力最强，挤密效果最佳，边线中点次之，三角形重心点（距桩中0.40m）最差，但其承载力提高幅度（74. 1%）亦大于单桩4-4点（距桩中0.30m）的幅度（63%）。这与其他成桩方法所得结论是一致的。实际上表4.6-11、图4.6-17中的1-1、2-2、3-3各点，均比其附近各点的挤密效果差，或者说其附近各点的挤密效果，要比该点好，这说明表 4.6-11的数据是偏小的。显而易见，群桩的挤密效果远优于单桩。
（三）群桩复合地基的承载力
1.桩间土的容许承载力。表4.6-11 所列三个薄弱点的承载力平均值为370kPa，则整个桩间土的承载力平均值必大于370kPa;又桩间土的平均变形模量大于 22.2MPa（三个薄弱点的平均值），比原地基（10MPa）提高一倍多，地基的湿陷性全部消除，因此可以偏于安全地取桩间土的容许承载力为 200kPa。
2.灰土桩的容许承载力。为确定灰土桩的容许承载力，本次对 5号、6号桩做了载荷试验，最大荷载 800kPa，其 p-s
曲线见图4.6-18。由图可知、比例界限约为 400kPa，若用相对变形 1%计算，容许承载力 5 号桩为 450kPa，6号桩为620kPa，平均 535kPa。因此可取 500kPa为灰土桩的容许承载力。
3.群桩复合地基的容许承载力。由灰土桩和桩间土的容许承载力可知，桩土应力比为2.5。由复合地基载荷试验资料可知，一般桩土应力比在1.7～3.0之间。当本场地采用应力比为2.5时，其桩土变形基本是相容的。根据灰土桩的容许承载力为 500kPa，桩间土容许承载力为200kPa，桩土面积比为1∶5计算可得，灰土桩复合地基的容许承载力为260kPa。
4。单排桩加固体的容许承载力。本次地基加固工程系在基础四周布一排桩，桩在有效挤密区内承载力平均提高幅度大于50%，桩间土承载力平均值大于300kPa，容许承载力偏于安全地取 150kPa，由于系单排桩，桩间土对灰土桩的约束较群桩差。灰土桩容许承载力可取 400kPa。这样单排桩加固体的容许承载力为 200kPa。
四、加固效果
（一）根据上述理论分析和试验研究表明，应用冲击法成桩的机械，工艺是可行的，所成灰土桩达到或超过设计要求。
（二）应用冲击法及其所要求的施工标准，成桩直径分别为0.25m和0.30m 的灰土桩，所需的单位冲击能分别为15.72MJ/m²和21.47MJ/m²。
（三）应用挤密灰土桩处理自重湿陷性黄土地基，可以全部消除湿陷性，提高地基土的变形模量，降低压缩性，从面提高地基的抗变形能力和承载力。应按等边三角形布桩，桩间距为2.3d 时，桩间土和桩的容许承载力分别为 200kPa和 500kPa，挤密灰土桩复合地基的容许承载力为 260kPa。当在基础四周或两边按单排布桩加固既有建筑物地基时，加固体的容许承载力为200kPa。
（四）灰土桩用于加固既有建筑物地基时，其作用是多方面的，除具有消除湿陷性、提高承载力和约束地基挤出变形外，尚起抗水防渗和改善地基土含水量的作用。
（五）挤密灰土桩处理湿陷性黄土地基，属于"地表作业，深层加密"的"以土治土"的原位地基处理方法，不破坏并利用地基土原有的结构强度 ，形成新的承载力和水稳性更好的地基;土方量少，节约"三材"，在地基处理尤其是在湿陷性黄土地区的地基处理中.具有良好的经济效益和广阔的发展前景。